CH670002A5

CH670002A5 -

Info

Publication number: CH670002A5
Application number: CH255185A
Authority: CH
Inventors: Alwin Denzer; Wilfried Dr-Ing Raeuchle
Original assignee: Process Electronic Analyse Und
Priority date: 1984-06-19
Filing date: 1985-06-17
Publication date: 1989-04-28
Also published as: DE3422701C2; DE3422701A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Sauerstoffmesssonde mit einem sauerstoffionenleitenden Festkörper-Elektrolyten in Form eines einseitig geschlossenen, innen mit Referenzgas beaufschlagten Rohrs, das zum Abgreifen von Sauerstoffpartialdrücken zwischen dem Referenzgas und einem Messgas mit einer Innenelektrode und mit einer Aussenelektrode versehen und mit einem Ummantelungsrohr umgeben ist, das wenigstens eine Öffnung zum Zuführen des Messgases aufweist.

Derartige Sauerstoffmesssonden werden insbesondere zur Messung des Sauerstoffgehaltes in Ofenatmosphären, z. B. im Abgas von Verbrennungsöfen, in Aufkohlungsöfen oder in Wärmebehandlungsöfen eingesetzt. Eine bekannte Sauer-stoffmesssonde ist beispielsweise in der DE-OS 3 211 564 beschrieben. Bei diesen Sauerstoffmesssonden ragt der von dem Ummantelungsrohr umgebene Festkörper-Elektrolyt in die Ofenatmosphäre. Das Ummantelungsrohr weist eine oder mehrere Öffnungen auf, durch die das Messgas zur Aus-senseite des Festkörper-Elektrolyten gelangen kann. Diese Öffnungen sind verhältnismässig klein gehalten, um den Festkörper-Elektrolyten vor festen Partikeln und vor Russ zu schützen. Von der Befestigungsseite her wird der Festkörper-Elektrolyt innen mit einem Referenzgas, vorzugsweise Luft, beaufschlagt. Die unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücke zwischen dem Messgas (Abgas/Rauchgas) und dem Referenzgas bewirken eine Spannungsdifferenz zwischen der Aussen- und Innenseite des Festkörper-Elektrolyten, die über eine Aussen- und eine Innenelektrode abgegriffen werden und nach einer Signalaufbereitung beispielsweise für eine Anzeige oder für die Prozesssteuerung verwendet werden.

Die beiden Elektroden befinden sich bevorzugt am geschlossenen Ende des Festkörper-Elektrolyten.

Die Aussenelektrode des Festkörper-Elektrolyten ist bei einer derartigen Sauerstoffmesssonde dem aggressiven Messgas ausgesetzt. Obwohl sie üblicherweise aus Edelmetall, insbesondere Platin oder Ruthenium, hergestellt wird, hat sich in der Praxis gezeigt, dass sie mit dem Messgas chemisch reagiert, so dass die Aussenelektrode und damit auch der Festkörper-Elektrolyt nach einer gewissen Betriebszeit unbrauchbar wird. Die Lebensdauer der Aussenelektrode lässt sich dadurch vergrössern, dass die in dem Ummantelungsrohr angeordneten Öffnungen möglichst klein gehalten werden. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, in oder hinter diesen Öffnungen Filter anzuordnen; diese Massnahmen verhindern jedoch nicht den Verbrauch der Aussenelektrode, sondern verzögern ihn nur, und ausserdem erhöht sich durch diese Massnahmen die Zeitkonstante der Messsonde, da das Abgas/Rauchgas durch die kleinen Öffnungen/Filter nur sehr langsam bis zu dem Festkörper-Elektrolyten vordringen kann.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Sauerstoffmesssonde der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die Aussenelektrode des Festkörper-Elektrolyten keinem oder nahezu keinem Verbrauch mehr ausgesetzt ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Öffnung des Ummantelungsrohrs mit einem porösen, in Abstand von der Aussenelektrode angeordneten Körper vorgesehen ist, der mit einer feinverteilten, in bezug auf Kohlenwasserstoffver-bindungen katalytisch wirksamen Substanz versehen ist.

Dieser Körper wirkt in der Art eines Filters, der zwischen der Messgasatmosphäre und dem Festkörper-Elektrolyten angeordnet ist. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch den Einsatz dieses speziellen Filters ein Verbrauch der Aussenelektrode des Festkörper-Elektrolyten nahezu verhindert wird. Dies wird auf eine Spaltung der Kohlenwasser-stoffverbindungen in dem mit der katalytisch wirksamen Substanz versehenen Körper zurückgeführt, so dass eine weitere Reaktion mit dem Metall der Aussenelektrode nicht erfolgt. Die vorgenommenen Untersuchungen zeigen jedoch auch, dass sich die katalytisch wirksame Substanz des vorgeschalteten Filterkörpers überraschenderweise nicht verbraucht.

In zweckmässiger Weiterbildung der Erfindung besteht der Filterkörper aus einer porösen Keramikmasse. Auf einer derartigen Keramikmasse lässt sich die katalytisch wirksame Substanz sehr wirksam verteilen, wobei sich eine grosse Oberfläche ergibt. Als katalytisch wirksame Substanz wird hierbei bevorzugt Platin oder ein Nitrat eingesetzt. Eine besonders einfache und kostengünstige Anordnung ergibt sich, wenn als Filterkörper ein Teilstück eines bekannten Abgaskatalysators für Verbrennungsmotoren verwendet wird.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung zur Zeichnung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch den in einen Rauchgaskanal ragenden Frontbereich einer erfindungsgemässen Sauerstoffmesssonde in einer ersten Ausführungsform und

Fig. 2 einen entsprechenden Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform.

In der Fig. 1 ist der Frontbereich einer Sauerstoffmesssonde im ganzen mit 1 bezeichnet. Dieser Frontbereich ragt in den Abgas- oder Rauchgaskanal oder beispielsweise in eine Aufkohlungsanlage. Ein Rohr 2, das in hier nicht

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gezeigter Weise durch eine Wand geführt ist, hält ein beispielsweise aus einem Keramikmaterial bestehendes Ummantelungsrohr 3.

Im Inneren des Ummantelungsrohrs 3 ist ein Festkörper-Elektrolyt 4 angeordnet, der als einseitig geschlossenes Rohr ausgeführt ist und beispielsweise aus Zirkondioxid besteht. Im Bereich des geschlossenen Endes dieses Rohrs sind nur schematisch angedeutete Elektroden angebracht, wobei mit 5 die Innenelektrode und mit 6 die Aussenelektrode bezeichnet ist. Diese Elektroden bestehen aus Platin und sind über hier nicht gezeigte Anschlussdrähte, die vorzugsweise ebenfalls aus Platin bestehen, mit einer Auswerteeinrichtung verbunden.

Das Innere des als einseitig geschlossenes Rohr ausgeführten Festkörper-Elektrolyten 4 ist mit der Atmosphäre verbunden und deshalb mit Luft als Referenzgas beaufschlagt. In diesem Innenraum befindet sich ausserdem ein Thermoelement 7. Der Zwischenraum zwischen dem Festkörper-Elektrolyten und dem Ummantelungsrohr 3 ist teilweise mit Zirkondioxid-Wolle 8 gefüllt.

Das Ummantelungsrohr 3 weist an seinem äusseren, der Messgasatmosphäre zugewandten Ende eine Öffnung 9 auf, in die ein Körper 10 eingesetzt ist, der ein Teilstück eines für die Abgase von Verbrennungsmotoren verwendeten Abgaskatalysators ist. Durch diesen Körper 10 steht die Messgasatmosphäre mit dem Festkörper-Elektrolyten in Verbindung. Der Körper 10 besteht aus einer porösen Keramikmasse, die eine Vielzahl von zu dem Festkörper-Elektrolyten 4 gerichteten Kanälen enthält und auf deren äusserer und innerer Oberfläche feinverteilter Platinstaub angebracht ist. Günstige Ergebnisse sind mit einem Körper 10 erzielt worden, der in Richtung des Ummantelungsrohres 3 eine Länge von 10 bis 15 mm aufweist.

Es hat sich gezeigt, dass durch diesen zusätzlichen Filter die Aussenelektrode 6, die ebenfalls aus Platin besteht, praktisch nicht angegriffen oder verbraucht wird. Auch das Platin des Körpers 10 selbst verbraucht sich nicht. Hierdurch wird eine wesentlich längere Lebensdauer der Aussenelektrode 6 und damit der gesamten Messsonde gegenüber bekannten Bauarten erreicht.

s Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt die Fig. 2. Die Sauerstoffmesssonde ist dort mit 1' bezeichnet. In ein aus Keramikmaterial oder aus Stahl bestehendes Ummantelungsrohr 3 ' ist der aus Zirkondioxid bestehende und in der Form eines einseitig geschlossenen Rohrs ausge-10 führte Festkörper-Elektrolyt 4' eingesetzt, wobei der Zwischenraum zwischen Festkörper-Elektrolyt und Ummantelungsrohr teilweise mit Zirkondioxidwolle 8' ausgefüllt ist. Im Inneren des Festkörper-Elektrolyten 4' befindet sich ein Thermoelement 7' ; ausserdem ist im Bereich des geschlos-15 senen Endes des den Festkörper-Elektrolyten bildenden Rohrs eine aus Platin bestehende Innenelektrode 5' angebracht. Die Aussenelektrode besteht aus einem als Ronde ausgebildeten Metallklotz 11, der aus Ruthenium besteht. Dieser Metallklotz liegt an dem balligen Ende des den Fest-20 körper-Elektrolyten bildenden Rohrs mit einer konkav gewölbten Kontaktfläche an und wird mit einer Nase 12 in einer Sackbohrung eines Teils 13 gehalten. Dieses Teil weist ausserdem mehrere durchgehende Bohrungen auf, die die Messgasatmosphäre mit dem Festkörper-Elektrolyten ver-25 bindet und von denen in der Fig. 2 zwei erkennbar und mit 14a und 14b bezeichnet sind. Die Aussenelektrode 11 ist ausserdem von einem ringförmigen Filter 15 umgeben.

In die der Messgasatmosphäre zugewandte Öffnung 9' des Ummantelungsrohrs 3' ist ferner ein Körper 10' eingesetzt, 30 der wie im ersten Ausführungsbeispiel aus einer porösen Keramikmasse mit feinverteiltem Platin besteht. Das Messgas dringt also zuerst durch die Poren des Körpers 10', passiert dann die Öffnungen 14a, 14b des Teils 13 und gelangt über das weitere Filter 15 zur Oberfläche des Festkörper-35 Elektrolyten 4'. Auch bei dieser Ausführung wird weder die Aussenelektrode noch das Platin des Körpers 10' verbraucht oder angegriffen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

670002 PATENTANSPRÜCHE

1. Sauerstoffmesssonde mit einem sauerstoffionenleitenden Festkörper-Elektrolyten in Form eines einseitig geschlossenen, innen mit Referenzgas beaufschlagten Rohres, das zum Abgreifen von Sauerstoffpartialdrücken zwischen dem Referenzgas und einem Messgas mit einer Innenelektrode und mit einer Aussenelektrode versehen und mit einem Ummantelungsrohr umgeben ist, das wenigstens eine Öffnung zum Zuführen des Messgases aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (9,9') des Ummantelungsrohres (3,3') mit einem porösen, in Abstand von der Aussenelektrode angeordneten Körper (10,10') versehen ist, der mit einer feinverteilten, in bezug auf Kohlenwasserstoffverbindungen katalytisch wirksamen Substanz versehen ist.

2. Sauerstoffmesssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (9,9') am axial äusseren, der Messgasatmosphäre zugewandten Ende des Ummante-lungsrohrs (3,3') angeordnet ist.

3. Sauerstoffmesssonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (10,10') aus einer porösen Keramikmasse, insbesondere aus ß-Aluminiumoxid, besteht.

4. Sauerstoffmesssonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch wirksame Substanz Platin ist.

5. Sauerstoffmesssonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch wirksame Substanz ein Nitrat, insbesondere Cernitrat oder Nickelnitrat,

ist.

6. Sauerstoffmesssonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (10,10') ein Teilstück eines Abgaskatalysators für Verbrennungsmotoren ist.